Частотные преобразователи с непосредственной связью

Источник –https://studfiles.net/preview/511172/page:24/

Частотные преобразователи электронного типа часто применяют для плавного регулирования скорости асинхронного или синхронного двигателя за счет создания на выходе преобразователя электрического напряжения заданной частоты. В простейших случаях регулирование частоты и напряжения происходит в соответствии с заданной характеристикой V/f, в наиболее совершенных преобразователях реализовано так называемое векторное управление.

Сначала рассмотрим, каким образом с помощью трехфазного мостового управляемого выпрямителя (схема Ларионова) можно регулировать, например, напряжение на нагрузке, включенной в цепь постоянного (выпрямленного) тока (рис. 3.8.)

Рис. 3.8. Схема трехфазного мостового управляемого выпрямителя

Данная схема получила преимущественное применение при построении управляемых выпрямителей трехфазного тока, одними из основных характеристик которого являются: средние значения выпрямленного напряжения и тока , ; регулировочная характеристика – зависимость среднего выпрямленного напряжения от угла управления ;

Вентили на схеме выпрямителя (рис. 3.8) разбиты на 2 группы: катодная группа, у которой соединены катоды (VS1 VS3 VS5); анодная группа, у которой соединены аноды (VS1 VS3 VS5). Общие точки вентилей двух групп соединены с источником питания (в данной схеме с вторичными обмотками трансформатора). Нумерация тиристоров выбрана для упрощения понимания принципов работы управляемого выпрямителя.

В неуправляемых выпрямителях или при нулевом угле управления α в управляемых выпрямителях (рис. 3.9) в каждый момент времени ток будет проводить тот вентиль, потенциал анода которого будет максимальным (в катодной группе) или потенциал катода которого будет минимальным (в анодной группе).

Рис. 3.9.

Поэтому мгновенное значение напряжения на выходе выпрямителя определяется значением линейного напряжения фаз, подключенных к нагрузке в данный момент времени через открытые вентили (на рис. 3.9 мгновенные значения напряжения на выходе выпрямителя показаны черными стрелками).

В управляемых выпрямителях средние значения токов и напряжений зависят от угла управления α, отсчитываемого от точек естественной коммутации тиристоров , , и т. д. до момента открытия тиристоров (рис. 3.10, а). Это обуславливается задержкой на угол управления моментов подачи отпирающих импульсов на тиристоры (рис. 3.10, б) системой управления выпрямителя.

Рис. 3.10.

При наличии в цепи нагрузки индуктивности задержка вступления в работу очередных тиристоров создает задержку на такой же угол α моментов запирания проводящих тиристоров (в течение которых тиристоры продолжают быть в открытом состоянии даже пройдя через точку своей естественной коммутации (эти участки на рис. 3.10, а выделены более жирными линиями)).

При этом кривые потенциалов , (рис. 3.10, а) и напряжения на нагрузке (рис. 3.11) приобретают вид, показанный на (рис. 3.10, а) и (рис. 3.11).

Рис. 3.11.

Таким образом в кривой выпрямленного напряжения создаются «вырезки», вследствие чего среднее значение напряжения уменьшается и можно утверждать, что при изменении угла α осуществляется регулирование величины выпрямленного напряжения . Влияние угла α на кривую и среднее значение напряжения также отражено на рис 3.11.

Поскольку в трехфазной мостовой схеме выпрямлению подвергается линейное напряжение, кривая состоит из участков линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора , , , , , .

Изменение угла α до значений 30◦ и 60◦ приводит к изменению напряжения, как показано на рис. 3.12.

Рис. 3.12.

В источнике https://www.ruselectronic.com/chto-poluchaetsya-posle-vypryamleniya/ приводится расчет напряжения на нагрузке, в зависимости от формы кривой напряжения

В зависимости от структуры и принципа работы электрического привода выделяют два класса электронных преобразователей частоты (ПЧ): с непосредственной связью; с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.

Класс ПЧ, получивший название «Непосредственные преобразователи частоты» (НПЧ), характерен однократным преобразованием энергии. Потребляемая из сети переменного тока электроэнергия с неизменными напряжением и частотой преобразуется в одном силовом устройстве в энергию переменного тока с регулируемыми по амплитуде и частоте напряжением и током нагрузки, в качестве которой служит 3-х фазный двигатель. В структурном отношении НПЧ весьма прост, его основу составляет реверсивный тиристорный преобразователь (ТП) постоянного напряжения.

Сразу нужно заметить, что тиристор является силовым электронным не полностью управляемым ключом. Поэтому иногда в технической литературе его называют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться только в проводящее состояние, т.е. включаться (ключ с фиксацией). Для его выключения (при работе на постоянном токе) необходимо принимать специальные меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля (в цепи переменного тока тиристор выключается в момент перехода тока через нулевое значение). Фиксация включенного состояния происходит благодаря особенности строения тиристора. Отключить тиристор можно также уменьшив на аноде напряжение до определенного значения.

Если изменять управляющее напряжение ТП по синусоидальному закону с определенной частотой, то на выходе преобразователя получим выпрямленную ЭДС, синусоидально изменяющуюся с той же частотой и приложенную к однофазной нагрузке переменного тока. Изменяя частоту и амплитуду управляющего сигнала, можно изменить соответственно частоту и амплитуду выходной ЭДС. Очевидно, что для 3-х фазной нагрузки потребуется три комплекта реверсивных ТП, работающих с синхронизированным сдвигом фаз в 120° по выходной частоте НПЧ.

Число фаз входного и выходного напряжений НПЧ является весьма существенным признаком классификации преобразователей, т.к. оно в значительной мере определяет структуру построения их схем.

Рассмотрим принцип работы НПЧ с естественной коммутацией на примере трехфазно-однофазной схемы (рис. 3.13) [https://helpiks.org/8-27758.html].

Рис. 3.13.

В схеме преобразователя можно выделить две группы тиристоров: 1- катодную (V₁; V₂; V₃) и 2- анодную (V₄; V₅; V₆).

Допустим, что нагрузка z_н активная. Включающие импульсы в процессе работы поступают на тиристоры катодной и анодной групп поочередно. Когда включающие импульсы, синхронизированные по частоте с напряжением питающей сети, подаются последовательно на тиристоры V₁, V₂, V₃ катодной группы, она работает в режиме выпрямления (по 3-х фазной нулевой схеме), формируя на нагрузке положительную полуволну выходного напряжения относительно нулевого вывода трансформатора (выделено красным цветом). Угол управления тиристоров – α (рис. 3.9).

Рис. 3.14. Диаграмма выходного напряжения при активной нагрузке

При работе тиристоров V₄, V₅, V₆ анодной группы на нагрузке относительно нулевого вывода трансформатора формируется отрицательная полуволна напряжения (выделено синим цветом). В результате цикличной работы групп 1 и 2 на нагрузке создается переменное напряжение с частотой основной гармоники f₂, более низкой, чем частота питающей сети f₁ (условно сформированную синусоиду однофазного напряжения можно представить синей линией).

Частота f₂ определяется временем, в течение которого проводят ток тиристоры каждой группы. Изменением угла α можно регулировать выходное напряжение.

Из диаграммы (рис. 3.14) видно, что тиристоры катодной группы вступают в работу только после спада до нуля полуволны напряжения, формируемой анодной группой, и наоборот. Это объясняется тем, что тиристор находится во включенном состоянии до тех пор, пока ток, протекающий через него (в рассматриваемом случае ток совпадает по фазе с напряжением), ниспадет до нуля.

В трехфазно-однофазной схеме тиристоры каждой группы коммутируют между собой (внутригрупповая коммутация) через интервал, равный 2π/3. В общем случае, при пульсности, равной m_n этот интервал составляет (2π/m_n) радиан. Поэтому без учета угла коммутации можно записать следующее выражение для длительности одной полуволны выходного напряжения:

где: n- число участков синусоид в полуволне выходного напряжения; (π -(2π/m_n))- угол, обусловленный подъемом от нуля до точки естественной коммутации переднего фронта полуволны выходного напряжения плюс угол, обусловленный спаданием до нуля заднего фронта этой полуволны.

В общем случае при пульсности выпрямленного напряжения m_n связь частот выходного и входного напряжений выражается соотношением:

где f₁ и f₂ - частоты входного и выходного напряжений (основной гармоники).

Из этого выражения видно, что частота выходного напряжения f₂ может принимать только дискретные значения при изменении числа n (n= 1,2,3,4...). Например, при пульсности m_n = 3 и частоте f₁= 50 Гц частота f₂ может принимать значения: (50; 30; 21,45; 16,66) Гц и т.д. При пульсности m_n= 6 и частоте f₁ =50 Гц частота f₂ может принимать значения: (50; 37,5; 30; 25; 21,45; 18,75) и т.д.

Нужно иметь в виду, что при 3-х фазной нагрузке необходимо обеспечить сдвиг фаз выходного напряжения на 120°. Поэтому далеко не все указанные частоты выходного напряжения могут быть использованы.

Таким образом, в преобразователях с непосредственной связью электрический модуль представляет собой управляемый выпрямитель. Система управления поочередно отпирает группы тиристоров и подключает обмотки двигателя к питающей сети. Выходное напряжение преобразователя формируется из «вырезанных» участков синусоид входного напряжения (см. рис. 3.15).

Рис. 3.15. https://studfiles.net/preview/1006902/page:6/

Частота выходного напряжения у таких преобразователей не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 50 Гц, и как следствие — малый диапазон управления частотой вращения двигателя (не более 1 : 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров.

Использование незапираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя. «Резаная» синусоида на выходе преобразователя с непосредственной связью является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению КПД системы в целом.